网上学习资料一大堆,但如果学到的知识不成体系,遇到问题时只是浅尝辄止,不再深入研究,那么很难做到真正的技术提升。
一个人可以走的很快,但一群人才能走的更远!不论你是正从事IT行业的老鸟或是对IT行业感兴趣的新人,都欢迎加入我们的的圈子(技术交流、学习资源、职场吐槽、大厂内推、面试辅导),让我们一起学习成长!
{
int tmp = *pa;
*pa = pb;
pb = tmp;
}
//向上调整算法
void AdjustUp(int a, size_t child)
{
size_t parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
//if (a[child] > a[parent]) //大根堆
if (a[child] < a[parent]) //小根堆
{
Swap(&a[child], &a[parent]);
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
{
break;
}
}
}
//升序
void HeapSort(int a, int n)
{
//建堆
int i = 0;
for (i = 1; i < n; i++) //应该从i=1时遍历,因为第一个数据在堆里不需要调整,后续再插入时调整
{
AdjustUp(a, i);
}
}
int main()
{
int a[] = { 4,2,7,8,5,1,0,6 };
HeapSort(a, sizeof(a) / sizeof(int));
for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(int); i++)
{
printf("%d ", a[i]);
}
return 0;
}* 效果如下:  符合小堆的性质
②、向下调整建堆
- **问题:**能直接进行向下建堆吗?
**答案:**不能
**解析:**首先回顾下使用向下调整的前提是什么?必须得确保根结点的左右子树均为小堆才可,而这里,数组为乱序的,无法直接使用。
- **解决办法:**从倒数第一个非叶结点开始向下调整,从下往上调
**分析:**从该解决方案中,我们首先要找到这个倒数第一个非叶结点的数在哪?其实最后一个结点的父亲即为倒数第一个非叶结点。当我们找到这个非叶结点时,把它和它的孩子看成一个整体,进行向下调整。调整后,再将次父节点向前挪动,再次向下调整,依次循环下去。
- 再回顾下父亲和孩子间的关系:
- leftchild = parent*2 + 1
- rightchild = parent*2 + 2
- parent = (child - 1) / 2
- 画图解析过程:
- 代码如下:
//升序 void HeapSort(int* a, int n) { //建堆 //1、向上调整 int i = 0; for (i = 1; i < n; i++) //应该从i=1时遍历,因为第一个数据在堆里不需要调整,后续再插入时调整 { AdjustUp(a, i); } //2、向下调整 for (int i = (n - 1 - 1)/2; i >= 0; i--) { AdjustDown(a, n, i); } }
- 效果如下:
符合小堆的性质
向上建堆和向下建堆熟优?
- 首先,我们画张图看下向上和向下建堆后的样子。
从上图中,我们可以看出,使用不同的方式建堆最后的样子是不同的,那哪种方式好呢?
- 接下来,我将通过时间复杂度的方式为大家解惑:以一颗满二叉树为例:
- 向上建堆:
时间复杂度计算的是其调整的次数,根据上文的知识我们已经知晓其是从数组的第二个元素开始的,也就是可以理解为第二层的第一个节点。计算的思想非常简单:计算每层有多少个节点乘以该层的高度次,然后累计相加即可。如下:
通过计算得知:向上建堆的时间复杂度为O(N*logN)
- 向下建堆:
向下调整我们前面已经知道它是从倒数第1个非叶节点开始调整的,每层的调整次数为,该层的节点个数*该层高度减1,一直从第1层开始调直至倒数第2层,并将其依次累加,此计算过程和向上调整差不多,都是等比*等差的求和,过程如下:
通过计算得知:向下建堆的时间复杂度为O(N)
- 对比:
通过上述计算,我们得到如下:
- 向上建堆:O(N*logN)
- 向下建堆:O(N)
由此可见,使用向下建堆的方式更优,其时间复杂度较小。当然,使用向上建堆也是可以的,只不过向下建堆更好一点。
升序能否建小堆?
- **答案:**不能
解析:
从上文我们已经知道建堆用向下建堆是比较优的,为O(N),并且建好堆后第一个位置的数字即为最小的,此时第一个数字已经确定了并且是最小的,但如若使用小堆的话,也就是需要从第二个数字开始往后看成一个堆,此时关系就全乱了,不再符合小堆的性质,此时也就意味着我们需要从第二个数字往后重新向下建堆,以确保此时的堆顶也就是数组第二个元素为次小的,并以此类推重新建堆确保第三个次小的,依次循环下去……如果这样做,还不如直接遍历选数!搞这么复杂。
- **解决方案:**升序建大堆
排序(建大堆)
- 先看下建好大堆的样子:
- 思路:
首先,得明确我们建堆后,此时堆顶就是最大的数据,现在我们把第一个数字和最后一个数字交换,把最后一个数字不看做堆里的,只需要数组个数N–即可。此时的左子树和右子树依旧是大堆,再进行向下调整即可。
- 画图解析过程:
- 代码如下:
//交换 void Swap(int* pa, int* pb) { int tmp = *pa; *pa = *pb; *pb = tmp; } //向下调整算法 void AdjustDown(int* a, size_t size, size_t root) { int parent = (int)root; int child = 2 * parent + 1; while (child < size) { //1、确保child的下标对应的值最大,即取左右孩子较大那个 if (child + 1 < size && a[child + 1] > a[child]) //得确保右孩子存在 { child++; //此时右孩子大 } //2、如果孩子大于父亲则交换,并继续往下调整 if (a[child] > a[parent]) { Swap(&a[child], &a[parent]); parent = child; child = 2 * parent + 1; } else { break; } } } //升序 void HeapSort(int* a, int n) { //向下调整建堆 for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--) { AdjustDown(a, n, i); } //大堆升序 size_t end = n - 1; while (end > 0) { Swap(&a[0], &a[end]); AdjustDown(a, end, 0); end--; } } int main() { int a[] = { 4,2,7,8,5,1,0,6 }; HeapSort(a, sizeof(a) / sizeof(int)); for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(int); i++) { printf("%d ", a[i]); } return 0; }
- 效果如下:
2、TopK问题
何为Topk?
- **TOP-K问题:**N个数里面找出最大/最小的前k个。一般情况下数据量都比较大。
比如:专业前10名、世界500强、富豪榜、游戏中前100的活跃玩家等。
对于Top-K问题,我们能想到的方法有很多,如下:
- 排序 – 时间复杂度:O(N*logN)。 空间复杂度:O(1) – 要求进一步优化。
- 建立N个数的大堆,Pop K次,就可以找出最大的前K个 – 时间复杂度:O(N+logN*k)。空间复杂度:O(1)
- 问题:
有可能N非常大,以至于远大于K。比如100亿个数里面找出最大的前10个。此时上面的方法就不能用了,因为此时会导致内存不够。就好比我现在想知道100亿个整数需要多少空间?
- 1G = 1024MB
- 1024MB = 1024*1024KB
- 1024*1024KB = 1024*1024*1024Byte ≈ 10亿字节
- 一个整数4个字节,100亿个整数400亿个字节,≈40G
40个G内存根本放不下,说明100亿个整数是放在磁盘中的,也就是文件中。由此得知上述方法不得行,得寻找一个更优解。
- 解决方案:
用前K个数建立一个K个数的小堆,然后剩下的N-K个依次遍历,如果比堆顶的数据大,就替换它进堆(向下调整),最后堆里面的K个数就是最大的K个。
- 复杂度:
- 时间复杂度:O(K + logK * (N-K))
- 空间复杂度:O(K)
实现过程
以从1w个数里找出最大的前10个数为例:
//向下调整算法 void AdjustDown(int* a, size_t size, size_t root) { int parent = (int)root; int child = 2 * parent + 1; while (child < size) { //1、确保child的下标对应的值最小,即取左右孩子较小那个 if (child + 1 < size && a[child + 1] < a[child]) //得确保右孩子存在 { child++; //此时右孩子大 } //2、如果孩子小于父亲则交换,并继续往下调整 if (a[child] < a[parent]) { Swap(&a[child], &a[parent]); parent = child; child = 2 * parent + 1; } else { break; } } } void PrintTopK(int* a, int n, int k) { // 1. 建堆--用a中前k个元素建堆 int* kminHeap = (int*)malloc(sizeof(int) * k); assert(kminHeap); for (int i = 0; i < k; i++) { kminHeap[i] = a[i]; } //建小堆 for (int j = (k - 1 - 1) / 2; j >= 0; j--) { //从倒数第一个非叶节点开始 AdjustDown(a, k, j); } // 2. 将剩余n-k个元素依次与堆顶元素交换,不满则则替换 for (int i = k; i < n; i++) { if (a[i] > kminHeap[0]) { kminHeap[0] = a[i]; //如果比堆顶大,就替换 AdjustDown(kminHeap, k, 0); //向下调整确保为堆 } } for (int j = 0; j < k; j++) { printf("%d ", kminHeap[j]);
网上学习资料一大堆,但如果学到的知识不成体系,遇到问题时只是浅尝辄止,不再深入研究,那么很难做到真正的技术提升。
一个人可以走的很快,但一群人才能走的更远!不论你是正从事IT行业的老鸟或是对IT行业感兴趣的新人,都欢迎加入我们的的圈子(技术交流、学习资源、职场吐槽、大厂内推、面试辅导),让我们一起学习成长!
kminHeap, k, 0); //向下调整确保为堆
}
}
for (int j = 0; j < k; j++)
{
printf("%d ", kminHeap[j]);
[外链图片转存中…(img-EWrCzHIf-1715892830589)]
[外链图片转存中…(img-Em2pwqgV-1715892830589)]
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